基础科研项目8mm高功率宽频带回旋行波管研究建议书.docx

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基础科研项目8mm高功率宽频带回旋行波管研究建议书

基础科研

项目建议书

（8mm高功率宽频带回旋行波管研究）

填写说明

1.从正文开始请用计算机双面打印；

2.正文除特别说明外一律使用小四号宋体字，1.5倍行间距；

3.篇幅不够可添加同版式附页；

4.封面为普通A4纸打印，普通装订，请勿加任何封皮；

5.封面需加盖主管部门及承担单位公章；

6.填写正文时请删除格式模版中相关提示文字（红色）；

7.请上报一式四份（附电子文档）。

项目基本信息

项目名称

8mm高功率宽频带回旋行波管研究

所属领域

（A）A.基础科学技术B.先进工业技术C.军民两用技术D.重大基础能力科研专项E.国防国际科技合作项目

建议单位

电子科技大学

主管部门

教育部

项目负责人

联系电话

项目性质

（选项不超过2项）

（B,C）A.发明类B.创新类C.应用开发类

D.工程化类E.国际合作类

主要技术指标

（100字左右）

研制出达到下列指标的高性能的8毫米回旋行波管：

1．8毫米波段，中心频率34GHz或35GHz

2．脉冲功率100KW

3．平均功率2KW

4．饱和增益Gain30dB

5．带宽2GHz

技术难点

或创新点

（100字左右）

（1）项目进行全面理论分析和数值模拟，探索新结构、新机理，研究工作具有重要的学术价值。

（2）电子光学系统，高频系统及整管的全新设计研究开发，开辟国内毫米波高功率宽频带回旋放大器研究的新方向。

（3）在研究中形成整套自主设计计算软件，具有自主知识产权。

（4）研究项目是国际主流方向，技术指标达到国际先进水平，针对重要的军事需求，极具发展潜力和应用前景。

预期成果

（括号中划√）

A..集成演示系统（）B.工艺（）C.装备（）D.样机（）E.样品（√）F.软件（√）G.论文（√）H.专利（）

（在正文中第七项相应位置说明领域、方向及应用目标）

协作研究情况

（括号中填数字）

协作单位：

A..企业（）B.研究院所（）C.高校（）

其中国防系统外单位：

A..企业（）B.研究院所（）C.高校（）

经费概算

（万元）

1000

总投资

1000万

申请国拨

900万

自筹

100万

其他

研究周期

5年

申报日期

2005-7-10

一、立项的目的和必要性

项目进行8mm高功率宽频带回旋行波管理论分析，数值模拟，样管研制及实验研究。

掌握8mm回旋行波管关键点和难点，部件及整管设计方法。

包括磁控注入电子枪计算机模拟设计；高频系统色散特性研究；电子注与高频场互作用模拟计算；提高功率容量，增益、效率与拓宽频带研究；结构工艺研究；整管优化设计。

研出脉冲功率100KW，带宽2GHz的8mm高功率宽频带回旋行波管。

开辟毫米波高功率宽频带回旋行波管研究新方向，使研制高功率毫米波成像雷达成为现实，而且为开发一批高性能军用毫米波武器装备奠定基础。

现代战争是高科技战争，战争双方谁拥有最先进的高科技武器，谁就能掌握战争的主动权，否则只能处于被动挨打的地位。

因而在高科技战争中，成功地干扰敌方雷达和武器系统，使之陷入瘫痪，同时对敌方来袭目标进行远程预警、实行有效地探测和识别精确跟踪，引导我方武器系统，包括高功率微波武器，摧毁敌方目标，保护我方的雷达及指挥系统免受敌方的干扰，是赢得胜利的重要手段。

高功率毫米波具有波束窄、分辨率高、能量密度高、抗干扰能力强，是新概念定向能武器研究、高功率毫米波预警雷达、相干雷达及相控阵雷达、强力电子干扰和对抗的理想毫米波源，在军事上具有重要作用。

普通微波管由于机理限制，在毫米波段零件尺寸小，加工难度大，阴极发射密度有限，散热困难等因素，使它难于达到高功率，特别难于达到高的平均功率。

而以相对论质量效应为基础的回旋行波管放大器能在毫米波、亚毫米波段产生高峰值功率，高平均功率和宽带宽，是高能毫波波雷达特别是毫米波成像雷达、定向能武器系统研究的高能毫米波、亚毫米波源，在国际上受到各军事强国的高度重视，取得了长足的发展，并迅速成为高功率微波、毫米波研究的前沿及热点。

1989年俄罗斯利用两支峰值功率为500kW，平均功率为5kW的回旋速调管研制成Ka波段的相控阵雷达Ruza。

该雷达能同时跟踪30个近地轨道小截面目标，对截面为0.01m2目标探测距离为420KM。

1990~1993年期间对该雷达系统进行改进，提高了灵敏度和精度。

俄罗斯研制的8mm相控阵雷达系统及用于该系统的前级行波管和回旋速调管放大器如图1，2示。

图1俄罗斯毫米波相控阵雷达RuZa

图2用于相控阵雷达RuZa的前级行波管和回旋速调管放大器

俄罗斯在回旋速调管放大器研究及毫米波相控阵雷达取得的突破性进展逐渐在国际会议上报导，回旋速调管放大器及毫米波雷达在军事领域的诱人前景，促使美国在上世纪90年代启动了新一轮的研究。

在美国军方和能源部的支持下，投入大量的财力和科研人员开展毫米波回速调管放大器及相应雷达系统的研究工作。

海军实验室电子科学与技术部（ElectronicsScienceandTechnologyDivision）真空电子学分部（VacuumElectronicsBranch）领头，CPI，Litton公司与马里兰大学（U.M）参加，进行W波段高功率回旋速调管研究，美海军实验室雷达部（RadarDivision）开展了与之配套的高功率毫米波相干雷达的研究。

2001年利用上述的回旋速调管放大器成功研制出机动的W波段毫米波雷达系统WARLOC，雷达系统的原理框图如图3，该雷达系统装载在两个拖车上（40×80inch2和20×80inch2），移动非常灵活方便。

大拖车包括发射机、天线、冷却系统，天线直径为1.8m，增益62dB。

小拖车内装有控制系统、接收机、信号处理及数据收集系统。

该雷达克服了厘米波雷达的不足，用于掠海面飞行目标的探测和跟踪，能有效消除低空及近海面杂波干扰，识别低空飞行的巡航导弹等目标。

图3美研制的W波段雷达系统WARLOC原理框图

从高功率毫米波俄美都首先装备在大功率毫米波雷达系统可以看出军事上大功率毫米波及亚毫米波强大需求，也是推动其迅速发展的强大动力。

随着输出功率、效率、带宽的不断提高，大功率毫米波预警雷达，毫米波成像几精确跟踪雷达，毫米波超级干扰机及毫米波定向能武器将会不断研发出来。

高功率毫米波反隐形技术，高能毫米波束对导弹、飞机、武器装备的电子系统的软杀伤和硬杀伤及生物效应的研究正发展成为了新型热门研究方向。

1．大功率毫米波预警雷达

毫米波波束窄、分辨率高、能量集中。

俄罗斯毫米波相控阵雷达RuZa探测距离达到420KM，随着功率的进一步提高及采用功率合成技术，大功率毫米波预警雷达作用距离可以达到1000kM以上，实现远程预警，和其他大功率毫米波雷达配合，完成目标的锁定，识别和精确跟追。

随着功率提高，未来有可能在高空预警卫星上装配高功率毫米波系统，大大提高预警范围和准确性。

2．毫米波定向能武器

定向能武器是未来的战场最有效的武器之一，它包括激光武器、粒子束武器和微波束武器。

其中微波束武器中以毫米波定向能武器威力最大，最具发展潜力。

　　以光速打击目标。

利用高能毫米波源和高增益定向天线辐射出强大的毫米波射束，不同与常规武器靠弹头和碎片的能量打击目标，而是靠以光速或接近光速行进的射频电磁波能量打击目标，因而它是“射频武器”，一旦发现目标，进行攻击，目标根本无法逃避。

有效破坏电子设备。

与常规武器、激光武器和粒子束武器相比，毫米波武器并不需要直接破坏和摧毁飞机、导弹、卫星及其它装备，而是通过强大的电磁波辐射产生强感应电流，破坏它们内部的电子设备，使其丧失战斗力。

毫米波反隐身技术。

由于隐身设计通常是针对厘米波段雷达的，因此毫米波雷达具有一定的反隐身能力。

同时隐身材料主要是通过采用吸波材料达到隐身的。

高功率微波武器能提供更高的束能密度，在遭到高功率微波照射时，隐形装备的吸波材料会发热变形，重者能烧毁丧失作战能力。

　　全方位大范围的打击。

毫米波武器可攻击的目标非常之多，卫星到洲际导弹，巡航导弹、飞机到通信器材、雷达、计算机和其它光电器材，只要处于强电磁波的覆盖区内，都将遭受致命的“打击”。

毫米波类似于激光束，射束不像激光束和粒子束那样必须汇集得非常细才能发挥威力，其波束较宽，且能量衰减慢，因而可打击较大的目标区；毫米波武器的作用时间短，作用距离较之激光武器和粒子束武器更远；适当选择微波辐射频率，可使相应对抗的措施复杂化，令对手防不胜防。

因而是定向能武器库中的“超级明星”。

　除军事应用外，高功率毫米波在受控热核聚变寻找新能源研究、毫米波通信、高能加速器等科学及民用领域具有重要应用。

为了提高我国的国际地位，增强国防实力，打赢未来高科技战争，急需大力发展这类高功率毫米波武器系统。

国内“十·五”启动了高能毫米波源—回旋速调放大器及毫米波雷达的研究，高能毫米波源—回旋速调放大器研究已取得突破。

但回旋速调放大器相对带宽一般小于1%，因而在毫米波成像雷达，毫米波超级干扰机及毫米波定向能武器应用受到限制。

回旋行波管具有宽的频带（5%以上），回旋行波管技术研究将彻底摆脱回旋速调放大器频带限制，因而是美俄目前研究的主流方向。

开展高功率宽频带的毫米波回旋行波管研究，不仅使该领域研究步入国际研究前列，而且使研制高功率毫米波成像雷达成为现实，为开发一批未来新概念军用毫米波武器装备奠定基础。

二、国内外现状分析：

回旋行波管是以电子回旋脉塞为机制的回旋电子注与前向快波互作用的回旋放大器件，与普通行波管有相似之处。

但互作用高频系统不是慢波系统而是快波波导系统，电子枪一般是磁控注入电子枪以形成回旋电子注，利用相对论质量效应，形成电子注的角向群聚，进而实现波与电子注的横向换能。

回旋行波管在毫米波波段具有频带宽、功率大等优点，它在先进的毫米波雷达、电子战、毫米波通讯等方面有着十分诱人的应用前景，因而在国际上受到很大重视。

从上世纪80年代开始，美国的NRL、瓦里安（Varian）公司、美加州大学洛杉矶分校（UCLA）、戴维斯分校（UCDavis）先后在厘米波段、Ka及W波段进行了研究工作，但由于自激振荡的限制，要得到高增益与高功率碰到了困难，这种自激振荡来源于两个方面，一是工作模式和其他模式绝对不稳定性所造成的自激振荡，当电流超过其门槛值时，振荡便会发生，另一种自激来自于能量输入、输出端及内部不均性的反射，这种由于反射引起的工作不稳定或自激，可通过结构、工艺的改进在一定程度上来加以克服。

绝对不稳定性引起的振荡可用适当提高电压（达100kV左右），降低电子注横向速度与纵向速度比，增大输入功率等方法来抑制。

同时像普通行波管一样，加上内部集中衰减器将互作用区隔离为两段或多段来抑制振荡。

研究还发现，减少电子注轴向速度零散会使增益与带宽增加，回旋行波管发展状况见表1。

经过多年研究，回旋行波管性能取得了长足进展。

从20世纪90年代初开始，台湾清华大学（NTHU）的朱国瑞教授领导的研究组对回旋行波管进行了深入的理论分析与细致的模拟计算，通过对自激振荡的机制分析，他们提出利用分布衰减的波导段来代替起切断作用的集中衰减，利用此结构的回旋行波管在性能上有很大突破，在一百千伏注电压下，得到了如下实验结果：

中心频率35GHz，峰值功率93kW，3dB带宽8.6%，效率26.5%，增益高达70dB，实验所得饱和功率与饱和增益如图1a与1b所示。

表1回旋行波管

年份

单位

谐波

次数

注电压

（kV）

中心频率

（GHz）

3dB带宽（%）

峰值功率

（kW）

饱和增益

（dB）

效率

（%）

1979

NRL